一种使用多高斯脉冲的线缆传导敏感度时域测试方法

摘要

本发明涉及一种使用多高斯脉冲的线缆传导敏感度时域测试方法，具体包括以下步骤：步骤一、分析多高斯脉冲频谱；步骤二、设计敏感频点定位流程；步骤三、使用LABVIEW实现定位流程。本发明同时公开了所述方法所应用的线缆传导敏感度时域测试系统，包括时域脉冲成形模块、注入探头模块、被试品和信号监测与数据处理模块四部分。本发明方法优点在于：1、能够很好地模拟设备在实际工作中所面临的复杂电磁环境；2、能够全面地反映干扰信号可能存在的形式；3、多高斯脉冲属于宽带时域信号，测试频谱宽，测试效率高，能够相对全面的考核被试品的敏感频点分布情况；4、通过LABVIEW实现自动化测试，操作更加简单；5、极大地提高了测试效率，节约了测试时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用多高斯脉冲的线缆传导敏感度时域测试方法，属于电磁敏感度测试领域。线缆传导敏感度时域测试使用多高斯脉冲作为宽带时域测试信号，选择多种多高斯脉冲注入被试品，利用其频谱的多样性测量出被试品的敏感频点，极大地提高了测试效率，具有广阔的运用前景。

背景技术

线缆传导敏感度测试在电磁兼容性试验中占据关键的地位。大型复杂电子系统中线缆数量巨大、种类繁多、分布广泛，因此各种线缆会从实际工作环境中拾取电磁能量，当外界电磁场照射到线缆时，线缆就会收集电磁能量，将噪声耦合进入线缆中。耦合进线缆的噪声可能会产生瞬态电流和电压传导耦合到与线缆相连的终端电子设备或系统中，使终端电子设备或系统中的电路出现敏感，这对较为敏感的电子器件和电路可能会造成毁灭性的破坏。大量统计数据表明：目前大型电子设备电磁兼容性问题最为普遍的诱因就是设备中互连线缆耦合实际工作环境中的电磁干扰信号，因此对设备中的互连线缆进行全方面的线缆敏感度试验是十分必要和紧迫的，对提高设备的可靠性更是至关重要的。

目前电磁兼容性试验中对线缆敏感度考核的项目主要包括频域扫描式的传导注入敏感度试验(CS114等)及特定形式脉冲信号耦合注入的时域敏感度试验(静电放电、浪涌等)，对天线端子非线性效应考核试验(CS103/CS104/CS105)。随着电子装置的功能越来越多、装载的电子器件越来越多，线缆数量、种类、长度、捆扎方式、布局越来越复杂。上述的线缆传导敏感性试验方法在效率和不更改被试品状态等方面逐渐不能满足大型复杂设备的电磁兼容性测试需求。例如在实施频域扫描式的敏感度试验时，如严格按照设备分系统级国军标中所规定的测试频段、步进要求及测试步骤实施试验，单次测试往往耗时1～2小时。使用此实验对含有大量复杂线缆的装置进行测试，将会耗费不可估量的时间成本，大大延误设备的研制周期。同时在现有的试验中CS114注入信号为单频点采用频域扫描的方式对被试品进行测试，这样相邻测试频点之间的频带是否有敏感频点就难以测出，可能会出现漏频点情况。

时域电磁干扰检测的概念最早由E.L.Bronaugh提出，依据目前公开发表的文献分析，实验室的研究样机可以做到在18GHz以下频段内满足CISPR关于电磁干扰接收机的要求。2012年9月，德国R&S公司推出一款时域EMI测试接收机ESR，可以在10Hz-7GHz范围内进行传导和辐射骚扰测试，该ESR具有基于FFT的时域扫描功能，可以极快的速度进行电磁骚扰测量，为用户节省了宝贵的时间。此外，这种测试方法非常适于汽车、移动通信、医疗、电力和照明等行业。在2012年APEMC会议上，时域电磁干扰接收机作为一个专门的主题被推出，供大家讨论。德国慕尼黑工业大学P.Russer教授作了题为“EMC Measurements in theTime-Domain”的汇报，引领了时域电磁干扰测试方面的一次巨大变革。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种使用多高斯脉冲的线缆传导敏感度时域测试方法。电子设备在工作过程中所处的电磁环境信号形式复杂多样，多以时域宽带信号形式存在，所以选择时域宽带信号作为测试信号可以在不改变被试设备状态的条件下最大限度模拟被试品的真实工作环境，激发出其真实工作环境下可能出现的电磁敏感现象。本发明使用多高斯脉冲作为宽带时域测试信号，利用多高斯脉冲频谱宽、频谱分布范围跟随脉冲间距改变的特点，依次将测试信号注入被试品激发被试品的敏感响应，通过综合分析被试品的敏感情况与输入测试信号的频谱，精确测量出被试品的敏感频点分布范围。线缆传导敏感度时域测试可以弥补传统测量方法的不足，提高测试效率，也大大缩短了测试时间。

2、技术方案：本发明的传导敏感度时域测试系统使用全底脉宽为0.5ns的单高斯脉冲、双高斯脉冲和高斯偶脉冲作为测试信号，通过选择不同形式不同间距的多高斯脉冲来确定被试品的敏感频点分布范围,要求测量的范围为0～800MHz。传导敏感度时域测试系统由时域脉冲形成电路，注入探头，被试品，信号采集和数据分析四个部分组成。脉冲形成电路可以根据要求产生不同间距的单高斯脉冲、双高斯脉冲和高斯偶脉冲。测试信号通过注入探头耦合到被试品上，被试品对注入的信号产生敏感响应，注入探头应保证在测试范围内的注入平坦度，保证测试信号可以完整注入。信号采集和数据分析部分采集被试品的敏感响应，提取相应的特征信息，判断被试品是否产生敏感并根据敏感频点定位算法选择下一个测试脉冲，驱动脉冲形成电路产生新的测试脉冲。经过以上硬件运行，系统可以根据敏感频点的定位算法逐步确定被试品的敏感频点的分布范围。

本发明设计了完整的敏感频点定位流程，该流程用于分析被试品的敏感响应信号，提取敏感信息，判断被试品是否发生敏感，结合敏感频点定位算法进一步选择生成合适的测试脉冲注入被试品，逐步确定敏感频点的分布范围。数据处理流程的核心是基于时域高斯脉冲信号的敏感频点定位算法。

一种使用多高斯脉冲的线缆传导敏感度时域测试方法，特征在于：具体包括以下内容：

(一)分析多高斯脉冲频谱

使用多高斯脉冲作为敏感频点时域测试信号，首先要分析多高斯脉冲的频谱分布规律，观察多高斯脉冲的频谱分布与脉冲间距的关系；

高斯单脉冲时域表达式为：其中A为幅度，μ和σ²为高斯函数的期望和标准方差，相同分布的高斯脉冲与呈高斯函数分布的信号能量分布基本相同，两者的频率分布也近似，所以使用高斯函数的频谱来近似高斯脉冲的频谱分布，高斯单脉冲频谱表达式为：式中B为频谱幅度，该式表明选取合适的阈值，高斯单脉冲的频谱分布可以近似的看作成高斯分布；

利用上述分析结果，结合傅里叶变换的时移特性，可以得到多高斯脉冲的频谱分布情况；假设双高斯脉冲的间距为T，则幅度谱表达式为：双高斯脉冲在-3dB内的频谱分量能够有效地注入被试品，为有效测试频带，有效测试频带边界ω_bd与脉冲间距T的关系表达式为：本方法使用的测试信号为全底脉宽为0.5ns的多高斯脉冲，此时脉冲的形状参数σ≈1.4×10^-11；由于σ≈1.4×10^-11同时有ω≤800MHz，所以有双高斯脉冲的有效测试频带边界与脉冲间距的关系可以简化为cosω_bdT＝0；双高斯脉冲的有效测试频带边界ω_bd存在多个解，敏感频点定位算法综合分析双高斯脉冲的有效测试频带分布，先选取合适的脉冲间距使双高斯脉冲的有效测试频带仅为[0，ω_bd0]，通过改变双高斯脉冲的间距可以实现对[0，ω_bd0]区域扫描，确定被试品在低频区域的敏感频点分布；

采用同样的分析方法，高斯偶脉冲幅度谱表达式为：与双高斯脉冲计算方法相同，得到高斯偶脉冲有效测试频带的边界值与脉冲间距T的关系表达式为：cosω_beT＝0；由此可见脉冲间距相同的双高斯脉冲和高斯偶脉冲的有效测试频带临界点相同，两者结合能够完整的覆盖要求测试的0～800MHz频谱范围，并且测试频带可随着脉冲间距的改变逐渐调节，最终得到精确的敏感频点范围。

(二)设计敏感频点定位流程

通过上面对高斯单脉冲、双高斯脉冲、高斯偶脉冲的频谱分析，可以发现单高斯脉冲的频谱可以完整覆盖0～800MHz范围，使用该信号可以探测出被试品在该范围内是否存在敏感频点分布，而双高斯脉冲和高斯偶脉冲频谱分布分别覆盖要探测范围的低频和高频区域，并且随着脉冲间距T的改变脉冲分布范围也在逐渐改变，利用这一规律可以综合使用两种脉冲实现对要检测频谱范围的扫描，逐步缩小敏感频点可能存在的频段，最终结合敏感频点的定位算法确定敏感频点的分布范围；

测试开始首先选择初始检测脉冲并驱动脉冲形成电路的电控模块产生脉冲，将脉冲通过探头注入到被试品中，监测被试品的响应并判断此时被试品是否出现敏感，根据当前测试状态和被试品的敏感测试情况进一步选择合适的脉冲测试被试品，最终通过分析各个脉冲之间的频谱差异确定被试品的敏感频点分布范围。

(三)使用LABVIEW实现定位流程

所述的传导敏感度时域测试方法中数据处理部分在LABVIEW程序中实现，信号通过数据采集设备传输到PC端，在LABVIEW程序调取敏感响应数据，采集敏感信息，并根据相应的敏感情况结合当前测试状态和敏感频点定位流程选择下一组测试脉冲，并指示脉冲形成模块生成相应的测试脉冲继续下一步测试。

所述的敏感频点定位流程，首先使用有效频带完整覆盖0～800MHz的单高斯脉冲进行测试，若被试品出现敏感现象，则说明被试品在测试范围内存在敏感频点，否则不存在敏感频点，即结束测试；若存在敏感频点，则进行第二次测试，即选择脉冲间距为0.5ns的双高斯脉冲测试被试品，如果出现敏感现象，则说明敏感频点分布在0～500MHz范围，否则分布在500～800MHz范围；若第二次测试出现敏感现象，则第三次测试选择脉冲间距为1.0ns的双高斯脉冲测试被试品，如果出现敏感现象，说明敏感频点分布在0～250MHz，否则分布在250～500MHz；如第二次测试未出现敏感现象，第三次测试选择脉冲间距为1.0ns的高斯偶脉冲测试被试品，如果出现敏感现象说明敏感频点分布在500～750MHz，否则分布在750～800MHz；以此类推，选择合适的间距和形式的多高斯脉冲逐渐缩小敏感频点可能存在的范围，最终得到精确的结果。

本方法所应用的一种线缆传导敏感度时域测试系统，包括时域脉冲成形模块、注入探头模块、被试品和信号监测与数据处理模块四部分，其中时域脉冲形成模块是测试脉冲信号生成器，能够按照数据处理模块的脉冲形式和间距要求，生成全底脉宽为0.5ns的多高斯脉冲，该模块与注入探头模块相连，将生成的测试信号传输给注入探头模块；注入探头模块保证在0～800MHz测试范围内测试信号的频谱分量最大衰减为10dB,与被试品相连，将测试信号完整的注入被试品，准确的激发被试品的敏感现象；被试品在接收到测试信号时，对信号的某些频谱分量产生敏感响应，并将响应信号传递给信号监测和数据处理模块；信号监测和数据处理模块对被试品敏感响应进行监测，提取和分析响应信号的敏感特性，得到被试品的敏感信息后存储响应信息，并根据敏感频点定位算法判断下一组测试脉冲，同时该模块与脉冲形成模块相连，将需要生成的测试脉冲信息传递给时域脉冲形成模块，控制时域脉冲形成模块生成新的测试脉冲继续进行下一组测试。

3、优点：本发明提出的一种使用多高斯脉冲的线缆传导敏感度时域测试方法，优点在于：

①使用多高斯脉冲作为测试信号不存在漏频点的情况，能够很好地模拟设备在实际工作中所面临的复杂电磁环境；

②多高斯脉冲形式多样，能够全面地反映干扰信号可能存在的形式；

③多高斯脉冲属于宽带时域信号，测试频谱宽，测试效率高，能够相对全面的考核被试品的敏感频点分布情况；

④通过LABVIEW实现自动化测试，操作更加简单；

⑤极大地提高了测试效率，节约了测试时间。

附图说明

图1时域测试系统框图。

图2a-1、图2a-2为单高斯脉冲波形及频谱。

图2b-1、图2b-2为双高斯脉冲波形及频谱。

图2c-1、图2c-2为高斯偶脉冲波形及频谱。

图3数据处理流程图。

图4敏感频点定位流程图。

图5敏感频点定位程序前面板。

图6敏感频点定位程序框图。

图7a被试品前面板。

图7b被试品程序框图。

图8被试品测试结果。

具体实施方式

下面将结合图对本发明作进一步的详细说明。

本发明搭建的一种线缆传导敏感度时域测试系统，如图1所示，包括时域脉冲成形模块、注入探头模块、被试品和信号监测与数据处理模块四部分，其中时域脉冲形成模块是测试脉冲信号生成器，能够按照数据处理模块的脉冲形式和间距要求，生成全底脉宽为0.5ns的多高斯脉冲，该模块与注入探头模块相连，将生成的测试信号传输给注入探头模块；注入探头模块保证在0～800MHz测试范围内测试信号的频谱分量最大衰减为10dB,与被试品相连，将测试信号完整的注入被试品，准确的激发被试品的敏感现象；被试品在接收到测试信号时，对信号的某些频谱分量产生敏感响应，并将响应信号传递给信号监测和数据处理模块；信号监测和数据处理模块对被试品敏感响应进行监测，提取和分析响应信号的敏感特性，得到被试品的敏感信息后存储响应信息，并根据敏感频点定位算法判断下一组测试脉冲，同时该模块与脉冲形成模块相连，将需要生成的测试脉冲信息传递给时域脉冲形成模块，控制时域脉冲形成模块生成新的测试脉冲继续进行下一组测试。

一种使用多高斯脉冲的线缆传导敏感度时域测试方法，其具体步骤为：

步骤一：对多高斯脉冲的频谱进行傅里叶变换，得到不同多高斯脉冲的频谱分布特点，建立时域高斯脉冲信号的形态和频域覆盖频带间的关联数学模型，如图2a-1、图2a-2、图2b-1、图2b-2、图2c-1、图2c-2所示。高斯单脉冲时域表达式为：

其中，A为幅度，μ和σ²为高斯函数的期望和标准方差。由于相同分布的高斯脉冲与呈高斯函数分布的信号能量分布基本相同，两者的频率分布也近似，所以使用高斯函数的频谱来近似高斯脉冲的频谱分布，高斯单脉冲频谱表达式为：

通过选取合适的阈值，高斯单脉冲的频谱分布可以近似的看作成高斯分布。

只使用高斯单脉冲不能达到定位敏感频点的要求，需要使用多高斯脉冲完成敏感频点定位。利用上述分析结果，结合傅里叶变换的时移特性，可以得到多高斯脉冲的频谱分布情况。假设双高斯脉冲的间距为T，则幅度谱表达式为：

双高斯脉冲的幅度在-3dB内的频谱分量能够有效地注入被试品，其有效测试频带的边界值ω_bd与脉冲间距T的关系表达式为：系统使用的测试信号为全底脉宽为0.5ns的多高斯脉冲，所以脉冲的形状参数σ≈1.4×10^-11。由于σ≈1.4×10^-11同时有ω≤800MHz，所以有那么双高斯脉冲的有效测试频带边界与脉冲间距的关系可以简化为：

cosω_bdT＝0

双高斯脉冲的有效测试频带边界ω_bd与脉冲间距T成反比，且有多个解，随着双高斯脉冲间距的变化，在0～800MHz可能会存在多个有效测试频带。在设计敏感频点定位算法时，首先要考虑的是双高斯脉冲的有效测试频带[0，ω_bd0]。与此同时也要考虑随着脉冲间距的变化,有效测试频带会增加[ω_bd1,ω_bd2]中的一部分或者全部，综合分析双高斯脉冲的这两个频带情况，才能准确的定位到敏感频点。

采用同样的分析方法，高斯偶脉冲幅度谱表达式为：

与双高斯脉冲计算方法相同，得到高斯偶脉冲有效测试频带的边界值ω_be与脉冲间距T的关系表达式为：

cosω_beT＝0

由此可见脉冲间距相同的双高斯脉冲和高斯偶脉冲的有效测试频带临界点相同，两者结合能够完整的覆盖要求测试的0～800MHz频谱范围，并且测试频带可随着脉冲间距的改变逐渐调节，最终得到精确的敏感频点范围。

步骤二：通过对多高斯脉冲的频谱分析设计出敏感频点定位流程。多高斯脉冲中的单高斯脉冲频谱可以完整覆盖0～800MHz范围，使用该信号可以探测出被试品在该范围内是否存在敏感频点分布，双高斯脉冲和高斯偶脉冲频谱的有效测试频带边界相同，可以综合使用两种脉冲并调节脉冲的间隔完成对敏感频点范围的探测。数据处理流程图如图3所示，测试开始首先选择初始检测脉冲并驱动脉冲形成电路的电控模块产生脉冲，将脉冲通过探头注入到被试品中，监测被试品的响应并判断此时被试品是否出现敏感，根据当前测试状态和被试品的敏感测试情况进一步选择合适的脉冲测试被试品，最终通过分析各个脉冲之间的频谱差异确定被试品的敏感频点分布范围。

在敏感频点定位算法中可以通过(1)选取不同类型的多高斯脉冲，(2)调整脉冲的间距实现对测试频带的扫描，定位出被试装置的敏感频点。在实际测试过程中，需要根据测试频带的覆盖要求，选择生成合适的多高斯脉冲对被试品进行测试。因此可将多高斯脉冲的有效测试频带边界值和脉冲间距的对应关系生成对照表如表1所示，脉冲间距的调节步长选为0.5ns。通过分析对照表可以设计出敏感频点的定位流程。

表1

根据传导敏感度时域测试系统的数据处理流程和对多高斯脉冲有效测试频带的分析，可以设计出完整的敏感频点定位流程，敏感频点定位流程图如图4所示。在测试过程中首先使用有效频带完整覆盖0～800MHz的单高斯脉冲进行测试，若被试品出现敏感现象，则说明被试品在测试范围内存在敏感频点，否则不存在敏感频点，即结束测试。若存在敏感频点，则进行第二次测试，即选择脉冲间距为0.5ns的双高斯脉冲测试被试品，如果出现敏感现象，则说明敏感频点分布在0～500MHz范围，否则分布在500～800MHz范围。若第二次测试出现敏感现象，则第三次测试选择脉冲间距为1.0ns的双高斯脉冲测试被试品，如果出现敏感现象，说明敏感频点分布在0～250MHz，否则分布在250～500MHz。如第二次测试未出现敏感现象，第三次测试选择脉冲间距为1.0ns的高斯偶脉冲测试被试品，如果出现敏感现象说明敏感频点分布在500～750MHz，否则分布在750～800MHz。以此类推，选择合适的间距和形式的多高斯脉冲逐渐缩小敏感频点可能存在的范围，最终得到精确的结果。敏感频点分布的所有可能情况及相应的测试流程及敏感情况在表2中列出，其中分布频带表示敏感频点的分布范围，测试信号顺序则表示敏感频点分布在此范围时多高斯脉冲的注入顺序和相应的被试品敏感情况(括号内的数字代表脉冲的间距单位为ns，Y代表此时被试品出现敏感，N表示此时被试品无敏感)。可以看出该定位算法将需要测量的0～800MHz范围分布不相等的121个子频带，每个子频带的宽度即为敏感频点分布在此范围内时的测量精度，测量结束时，敏感频点定位算法确定出敏感频点分布在哪一子频带内。

表2

步骤三：将上述敏感频点定位流程写入LABVIEW程序，实现自动化数据处理和脉冲选择。首先将采集到的被试品响应传输给PC端，使用LABVIEW调取数据并进行敏感特征提取，判断被试品是否发生敏感，最后存储测试信号和敏感响应信息。通过结合当前测试脉冲和被试品敏感信息，LABVIEW程序使用上述敏感频点定位算法选择下一组测试脉冲。敏感频点定位程序的前面板和程序框图如图5和图6所示，程序分为采样参数控制，数据处理和指令状态显示区域三个部分，能够实现采集被试品敏感响应，存储采样数据，判断当前测试状态，选择下一测试脉冲和实时显示敏感频点分布范围等功能。该LABVIEW程序提供测试者与测试系统交互的界面，能够根据测试者的要求调整系统参数，并在PC端实现自动测试，大大缩短了测试时间，节约了测试资源。

实施例1

下面以三角波作为模拟测试信号验证该设计思想的可行性，试验中使用LABVIEW建立一个VI作为被试品，被试品的前面板和程序框图如图7a和b所示。当测试信号频谱包含4MHz时，被试品输出幅度为2的正弦波，否则输出幅度为1的正弦波，即被试品的敏感频点为4MHz。

表3

测试使用的使用数据采集卡采集一个周期的三角波信号注入被试品，信号的频率与对应的单周期信号截止频率如表3所示，选取的变化步长为0.1MHz。则测试结果如图8所示，依次注入频率为2MHz，1MHz，1.5MHz，1.3MHz和1.1MHz的信号，得到的最终测试结果为敏感频点在3.8～4.1MHz范围内，与预期结果相符。